樣品分析物濃度的逐次逼近法
【專利說明】樣品分析物濃度的逐次逼近法
[0001] 相關申請的交叉參考
[0002] 本申請主張享有于2013年3月14日提交的題目為"樣品分析物濃度的逐次逼近 法"的美國臨時申請第61/781771號的優(yōu)先權，并且將該申請的全部內容以引用的方式并入 本文。
【背景技術】
[0003] 生物傳感系統(tǒng)提供諸如血液、血清、血漿、尿液、唾液、間質液或細胞內液等生物流 體樣品的分析。典型地，該系統(tǒng)包括對留存于測試傳感器的樣品進行分析的測量裝置。樣 品通常處于液態(tài)，且除了生物流體以外，樣品還可以是生物流體的衍生物，諸如提取物、稀 釋物、濾液或重組沉淀物等。由生物傳感系統(tǒng)進行的分析用來確定生物流體中一種或多種 分析物（例如，乙醇、葡萄糖、尿酸、乳酸、膽固醇、膽紅素、游離脂肪酸、甘油三酯、蛋白質、 酮類、苯丙氨酸或酶類等）的存在和/或濃度。例如，糖尿病患者可以使用生物傳感系統(tǒng)來 確定血液中的Alc或葡萄糖的水平以進行飲食和/或藥物的調整。
[0004] 在含有血紅蛋白（Hb)的血液樣品中，可以確定總血紅蛋白（THb)和糖化血紅蛋白 (HbAlc)的存在和/或濃度。HbAlc (% -Alc)是糖尿病患者葡萄糖控制狀態(tài)的反映，由此能 夠了解測試前三個月的平均葡萄糖控制。對于糖尿病患者而言，％-Alc的精確測量有助 于確定在與血糖水平的瞬時測量提供的期限相比的更長時期內患者通過飲食和/或藥物 控制血糖水平的程度。因為瞬時血糖測量無法指示在進行測量時以外的時候的血糖控制。
[0005] 生物傳感系統(tǒng)可以設計為用來分析一種或多種分析物且可以使用不同體積的生 物流體。一些系統(tǒng)可以分析例如體積為0.25-15微升（μ L)等的單滴血液。生物傳感系統(tǒng) 可以使用臺式、便攜式等測量裝置來實現(xiàn)。便攜式測量裝置可以是手持的且能夠實現(xiàn)樣品 中一種或多種分析物的識別和/或量化。便攜式測量系統(tǒng)的實例包括紐約塔里敦拜耳醫(yī)藥 保健公司（Bayer Healthcare in Tarrytown，New York)的Contour?計量儀，而臺式測量 系統(tǒng)的實例包括可從德克薩斯州奧斯丁 CH儀器公司（CH Instruments in Austin，Texas) 購得的電化學工作站。
[0006] 生物傳感系統(tǒng)可以利用光學和/或電化學方法來分析生物流體。在一些光學系統(tǒng) 中，通過測量已經(jīng)與光可識別物（例如，分析物或由與分析物反應的化學指示劑形成的反 應物或產物等）相互作用或已經(jīng)被光可識別物吸收的光來確定分析物濃度。在其它的光學 系統(tǒng)中，化學指示劑在被激勵光束照射時發(fā)出熒光或發(fā)出響應于分析物的光。這些光可以 被轉換成電輸出信號（例如，電流或電位等），該輸出信號同樣可以處理成電化學系統(tǒng)的輸 出信號。在任一光學系統(tǒng)中，系統(tǒng)測量光并使光與樣品的分析物濃度相關聯(lián)。
[0007] 在光吸收光學系統(tǒng)中，化學指示劑產生吸收光的反應產物?？梢允褂萌缦碌幕瘜W 指示劑：四唑（tetrazolium)連同諸如心肌黃酶等酶。四唑通常響應于分析物的氧化還原 反應而形成甲臜（色原體）。來自光源的入射光束指向樣品。光源可以是激光或發(fā)光二極 管等。入射光束可以具有被選擇用于反應產物吸收的波長。當入射光束穿過樣品時，反應 產物吸收一部分入射光束，從而減弱或降低入射光束的強度。入射光束可以從樣品反射回 檢測器或穿過樣品至檢測器。檢測器收集且測量減弱的入射光束（輸出信號）。被反應產 物減弱的光量是樣品中分析物濃度的指示。
[0008] 在光產生光學系統(tǒng)中，化學指示劑響應于分析物氧化還原反應發(fā)出熒光或發(fā)光。 檢測器收集且測量產生的光（輸出信號）。由化學指示劑產生的光量是樣品中分析物濃度 的指示并且被表示為檢測器的電流或電位。
[0009] 利用反射率的光學系統(tǒng)的示例是用于確定血液中AI c血紅蛋白的濃度的層 流％ -Alc系統(tǒng)。這些系統(tǒng)利用免疫分析化學，其中，將血液引入生物傳感系統(tǒng)的測試傳感 器，血液在這里與試劑反應然后沿著試劑膜流動。當接觸血液時，Alc抗體覆蓋色珠釋放且 與血液一起運動至檢測區(qū)域1。由于血液樣品中的AI c與檢測區(qū)域1中存在的AI c肽對色 珠的競爭，未附著于Alc抗體的色球在區(qū)域1中被俘獲且因此作為反射率變化的Alc信號 而被檢測。血液樣品中的總血紅蛋白（THb)也與其它血液處理劑反應并向下游移動進入以 不同波長進行測量的檢測區(qū)域2。為了確定血液樣品中的Alc濃度，反射率信號與Alc分析 物濃度-Alc)成比例，但是受到血液的THb含量的影響。然而，為了 THb的測量，區(qū)域 2內的反射率與血液樣品的THb (mg/mL)成反比，但是不會受到血液中的Alc含量的明顯影 響。
[0010] 在電化學系統(tǒng)中，當輸入信號施加于樣品時，從由響應于分析物濃度的分析物的 氧化/還原或氧化還原反應產生的電信號或可測量物中確定樣品的分析物濃度。輸入信號 可以是電位或電流且可以是恒定的、可變的或它們的組合（例如當AC信號與DC信號偏置 一起被施加時）。輸入信號可以作為單脈沖來施加或以多脈沖、序列或周期的形式來施加。 酶或類似物可以被添加至樣品以加強氧化還原反應期間從分析物的電子轉移。酶或類似物 可以與單一分析物反應，從而將特異性提供給產生的輸出信號的一部分。氧化還原介體可 以用作保持酶的氧化態(tài)和/或協(xié)助從分析物至電極的電子轉移的可測量物。因此，在氧化 還原反應期間，在氧化還原介體在自身與測試傳感器的電極之間轉移電子的同時，酶或類 似物可以在分析物與氧化還原介體之間轉移電子。
[0011] 電化學生物傳感系統(tǒng)通常包括具有電觸頭的測量裝置，電觸頭與測試傳感器的電 導體連接。所述導體可以由諸如固態(tài)金屬、金屬膏、導電碳、導電碳膏和導電聚合物等導電 材料制成。所述電導體連接至工作電極和對電極，且根據(jù)測試傳感器的設計，可以連接至延 伸進樣品容器中的參考電極和/或它他電極連接。一個或多個電導體也可以延伸進樣品容 器以提供電極無法提供的功能。
[0012] 在許多生物傳感系統(tǒng)中，測試傳感器可以適于在活體的外部、內部或局部內部使 用。當在活體的外部使用時，可以將生物流體的樣品引入測試傳感器中的樣品容器。測試傳 感器可以在分析用樣品的引入前、引入后或引入期間被放置于測量裝置中。當在活體的內 部或局部內部使用時，測試傳感器可以持續(xù)地浸在樣品中或可以間歇地將樣品引入測試傳 感器。測試傳感器可以包括使樣品的體積部分隔離的容器或可以對樣品開放。當開放時， 測試傳感器可以采用與生物流體接觸地放置的纖維或其它結構的形式。同樣，為了分析，樣 品可以連續(xù)地流經(jīng)測試傳感器以例如用于連續(xù)監(jiān)測，或被中斷以例如用于間歇監(jiān)測。
[0013] 電化學生物傳感系統(tǒng)的測量裝置通過電觸頭將輸入信號施加于測試傳感器的電 導體。電導體通過電極將輸入信號傳入存在于樣品容器內的樣品。分析物的氧化還原反應 產生響應于輸入信號的電輸出信號。測試傳感器的電輸出信號可以是電流（如安培分析法 或伏安法所產生的）、電位（如電位分析法/電流測定法所產生的）或累積電荷（如庫侖分 析法所產生的）。測量裝置可以具有這樣的處理能力：測量輸出信號且使輸出信號與樣品 中的一種或多種分析物的存在和/或濃度相關。
[0014] 在庫侖分析法中，電勢被施加至樣品以完全氧化或還原分析物。美國專利第 6120676號說明了利用庫侖分析法的生物傳感系統(tǒng)。在安培分析法中，恒定電位（電壓）的 電信號被施加至測試傳感器的電導體且測量的輸出信號是電流。美國專利第5620579號、 第5653863號、第6153069號和第6413411號說明了利用安培分析法的生物傳感系統(tǒng)。在 伏安分析法中，變化電位的電信號被施加至生物流體的樣品且測量的輸出是電流。在門控 安培分析法和門控伏安分析法中，分別如WO 2007/013915和WO 2007/040913中所述地那 樣使用脈沖輸入。
[0015] 主要輸出信號響應于樣品的分析物濃度并且是從分析的輸入信號中獲得。基本上 不受響應于樣品的分析物濃度的信號影響的輸出信號包括響應于溫度的信號和基本上響 應于干擾物（諸如，當分析物例如是葡萄糖時血液樣品的紅細胞或對乙酰氨基酚含量）的 信號?；旧喜豁憫诜治鑫餄舛鹊妮敵鲂盘柨梢员环Q為次要輸出信號，因為它們不是響 應于分析物或分析物響應指示劑造成的光變化、分析物的電化學氧化還原反應或分析物響 應氧化還原介體的電化學氧化還原反應的主要輸出信號。次要輸出信號響應于生物樣品的 物理或環(huán)境特性。次要輸出信號可以由樣品或其它來源（例如，對樣品的環(huán)境特性提供評 估的熱電偶）引起。因此，次要輸出信號可以從分析的輸入信號中或從另外的輸入信號中 確定。
[0016] 當由樣品引起時，可以從用來確定樣品的分析物濃度的電極或從額外的電極中確 定次要輸出信號。額外的電極可以包括與用來確定樣品的分析物濃度的電極相同的試劑成 分、不同的試劑成分或不包括試劑成分。例如，可以使用與干擾物反應的試劑成分，或可以 使用電極缺少試劑成分來研究樣品的一種或多種物理特性（例如，全血紅細胞等）。
[0017] 生物傳感系統(tǒng)的測量性能是由準確度（accuracy)和精確度（precision)來定義 的。準確度反映系統(tǒng)誤差分量和隨機誤差分量的組合效果。系統(tǒng)誤差或真實性（trueness) 是從生物傳感系統(tǒng)中確定的平均值與生物流體的分析物濃度的一個或多個采納參考值之 間的差。真實性可以用平均偏差來表達，平均偏差值越大表示真實性越低并且從而導致更 低的準確度。精確度是：相對于平均值，多個分析物讀數(shù)之間的接近程度。分析中的一個或 多個誤差導致生物傳感系統(tǒng)確定的分析物濃度的偏差和/或不精確度。因此，生物傳感系 統(tǒng)的分析誤差的降低會使準確度和/或精確度提高并從而改善測量性能。
[0018] 偏差可以用"絕對偏差"或"百分比偏差"來表達。絕對偏差是確定的濃度與 參考濃度之間的差，且可以用mg/dL等測量單位來表達，而百分比偏差可以表達為絕對 偏差值除以參考濃度這樣的百分比，或表達為絕對偏差除以樣品的截止?jié)舛戎担╟ut-off concentration value)或者樣品的參考濃度這樣的百分比。例如，如果截止?jié)舛戎凳?100mg/dL，那么對于小于lOOmg/dL的葡萄糖濃度而言，百分比偏差定義為：（絕對偏差除以 100mg/dL)*100 ;對于lOOmg/dL以及更高的葡萄糖濃度而言，百分比偏差定義為：絕對偏差 除以分析物濃度的采納參考值*1〇〇。
[0019] 優(yōu)選用標準儀器來獲得血液樣品中的分析物葡萄糖的采納參考值，例如，可從俄 亥俄州的耶洛斯普林斯的黃泉儀器公司（YSI Inc. ,Yellow Springs, Ohio)購得的YSI 2300STAT PLUS?。用來確定百分比偏差的其它標準儀器和方法可以用于其它的分析物。對 于％ -Alc測量，誤差可以表達為針對治療范圍為4-12%的％ -Alc參考值的絕對偏差或百 分比偏差?？梢杂脴藴蕛x器來獲得血液樣品中的％ -Alc的采納參考值，例如，可從日本東 曹公司（Tosoh Corp, Japan)購得的 Tosoh G7 儀器。
[0020] 生物傳感系統(tǒng)可以在生物流體的分析期間提供含有來自多個誤差源的誤差的輸 出信號。這些誤差源造成了總誤差，總誤差可以被反映在異常輸出信號中，例如當一個或多 個部分或全部的輸出信號不響應于或不適當?shù)仨憫跇悠返姆治鑫餄舛葧r。
[0021] 輸出信號的總誤差可能源于一種或多種誤差因子，例如，樣品的物理特性、樣品的 環(huán)境狀況、系統(tǒng)的運行條件和測試傳感器批次之間的制造差異等等。樣品的物理特性包括 紅細胞（紅色血液細胞）濃度和干擾物（例如，脂質和蛋白質等）等等。對于葡萄糖分析而 言，干擾物也可以包括抗壞血酸、尿酸和對乙酰氨基酚等。樣品的環(huán)境狀況包括溫度和空氣 的氧含量等等。系統(tǒng)的運行條件包括當樣品尺寸不夠大時的底部填充條件、測試傳感器的 樣品緩慢填充、樣品與測試傳感器的一個或多個電極之間的間歇性電接觸以及測試傳感器 被制造后與分析物反應的試劑的退化等等。測試傳感器批次之間的制造差異包括試劑的量 和/或活性的變化、電極面積和/或間距的變化以及導體和電極的電導率的變化等等。測 試傳感器批次優(yōu)選在單個制造生產期內制成，在單個生產期內批次間的制造變化大幅減小 或被消除。也可能存在造成分析誤差的其它誤差因子及其組合。
[0022] 百分比偏差、平均百分比偏差、百分比偏差標準差（SD)、百分比方差系數(shù)-CV) 和紅細胞敏感度是用來表達生物傳感系統(tǒng)的測量性能的獨立方式?？梢允褂妙~外的方法來 表達生物傳感系統(tǒng)的測量性能。
[0023] 百分比偏差是關于參考分析物濃度的生物傳感系統(tǒng)的準確度的表示，而百分比偏 差標準差反映的是關于由樣品的物理特性、樣品的環(huán)境狀況、系統(tǒng)的運行條件和測試傳感 器之間的制造變化引起的誤差的多次分析的準確度。因此，百分比偏差標準差的減小表示 在多次分析中生物傳感系統(tǒng)的測量性能的提升。百分比方差系數(shù)可以表達為100% *(-組 樣品的SDV(從同組樣品取得的多次讀數(shù)的平均值），并且反映了多次分析的精確度。因 此，百分比偏差標準差的減小表示在多次分析中生物傳感系統(tǒng)的測量性能的提升。
[0024] 可以對由使用單個批次的測試傳感器進行的多次分析確定的百分比偏差求取平 均以提供多次分析的"平均百分比偏差"?？梢酝ㄟ^使用所述批次的子集（例如，80-140個 測試傳感器）來分析多個血液樣品，以此確定單個批次測試傳感器的平均百分比偏差。
[0025] 相對誤差是誤差的一般表達，可以表達為AA/Araf(相對誤差）=(A ralralated+ Aref) /Aref = A ealeulated/Aref - 1，其中，Δ A是分析確定的分析物濃度相對于參考分析物濃度 而存在的誤差；Aral^ated是使用測量裝置在分析期間從樣品確定的分析物濃度；且A 是樣 品的參考分析物濃度。
[0026] 通過減小來自這些或其它來源的誤差來提升生物傳感系統(tǒng)的測量性能意味著：由 生物傳感系統(tǒng)確定的更多的分析物濃度可以被例如對血糖進行監(jiān)控的患者用于精確治療。 此外，也可以減少患者丟棄測試傳感器和重復分析的必要。
[0027] 生物傳感系統(tǒng)可以具有響應于分析物的氧化還原反應或基于光的反應的未補償 輸出信號的單一來源，例如電化學系統(tǒng)的對電極和工作電極等。生物傳感系統(tǒng)也可以具有 響應于或不響應于樣品分析物濃度的未補償輸出的一個以上的來源。例如，在Alc生物傳 感器中，可以存在響應于樣品的分析物濃度的一個或多個輸出信號，但是也可以存在響應 于總血紅蛋白（THb)而不響應于樣品的分析物濃度的一個或多個輸出信號（但是它們影響 一個/多個分析物響應信號）。
[0028] 許多生物傳感系統(tǒng)包括用來補償與分析相關聯(lián)的誤差的一種或多種方法，從而試 圖提升生物傳感系統(tǒng)的測量性能。通過提供具有補償不精確分析的能力的生物傳感系統(tǒng)從 而提高從系統(tǒng)獲得的濃度值的準確度和/或精確度，所述補償方法可以提升生物傳感系統(tǒng) 的測量性能。然而，這些方法一直難以補償以下誤差引起的分析誤差：由生物傳感系統(tǒng)自身 引入的誤差（系統(tǒng)誤差）和源于分析的誤差（輸出信號誤差）。本發(fā)明避免或減輕了無法 對系統(tǒng)誤差和輸出信號誤差兩者進行補償?shù)姆治鑫餄舛却_定系統(tǒng)的至少一些缺點。

【發(fā)明內容】

[0029] 在一個方面，本發(fā)明提供一種用于確定樣品中的分析物濃度的方法，所述方法包 括：從樣品中產生至少兩個輸出信號；測量來自所述樣品的至少兩個分析物響應輸出信 號；從所述至少兩個分析物響應輸出信號確定至少兩個初始分析物濃度；從所述至少兩個 分析物響應輸出信號確定第一偽參考濃度，其中，所述第一偽參考濃度是真實相對誤差的 第一替代；響應于所述第一偽參考濃度確定至少一個第一錨定參數(shù)，其中，所述至少一個第 一錨定參數(shù)補償系統(tǒng)誤差；將所述至少一個第一錨定參數(shù)并入至少兩個第一補償關系；響 應于所述至少兩個初始分析物濃度、至少兩個所述第一錨定參數(shù)和所述至少兩個第一補償 關系確定至少兩個第一錨定補償?shù)姆治鑫餄舛?；通過求取所述至少兩個第一錨定補償?shù)姆?析物濃度的平均值確定第二偽參考濃度，其中，所述第二偽參考濃度是真實相對誤差的第 二替代；并且將所述第二偽參考濃度報告為所述樣品的經(jīng)補償?shù)淖罱K分析物濃度。
[0030] 在本發(fā)明的另一個方面，提出了一種分析物測量裝置，其包括與傳感器接口連接 的電路，其中，所述電路包括與信號發(fā)生器和存儲媒介連接的處理器；其中，所述處理器能 夠從所述樣品測量至少兩個分析物響應輸出信號；其中，所述處理器能夠從所述至少兩個 分析物響應輸出信號確定至少兩個初始分析物濃度；其中，所述處理器能夠從所述至少兩 個分析物響應輸出信號確定第一偽參考濃度，其中，所述第一偽參考濃度是真實相對誤差 的第一替代；其中，所述處理器能夠響應于所述第一偽參考濃度確定至少一個第一錨定參 數(shù)，其中，所述至少一個第一錨定參數(shù)補償系統(tǒng)誤差；其中，所述處理器能夠將所述至少一 個第一錨定參數(shù)并入至少兩個第一補償關系；其中，所述處理器能夠響應于所述至少兩個 初始分析物濃度、至少兩個所述第一錨定參數(shù)和所述至少兩個第一補償關系確定至少兩個 第一錨定補償?shù)姆治鑫餄舛龋黄渲?，所述處理器能夠通過求取所述至少兩個第一錨定補償 的分析物濃度的平均值來確定第二偽參考濃度，其中，所述第二偽參考濃度是真實相對誤 差的第二替代；并且其中，所述處理器能夠將所述第二偽參考濃度報告為所述樣品的經(jīng)補 償?shù)淖罱K分析物濃度。
[0031 ] 在本發(fā)明的另一個方面，提出了一種用于確定樣品中的分析物濃度的生物傳感 系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：測試傳感器，所述測試傳感器具有與由基底形成的容器相鄰的樣品 接口，其中，所述測試傳感器能夠從樣品中產生至少兩個輸出信號；和測量裝置，所述測量 裝置具有與傳感器接口連接的處理器，所述傳感器接口與所述樣品接口電通信，且所述處 理器與存儲媒介電通信；其中，所述處理器能夠從樣品中測量至少兩個分析物響應輸出信 號；其中，所述處理器能夠從所述至少兩個分析物響應輸出信號確定至少兩個初始分析物 濃度；其中，所述處理器能夠從所述至少兩個分析物響應輸出信號確定第一偽參考濃度，其 中，所述第一偽參考濃度是真實相對誤差的第一替代；其中，所述處理器能夠響應于所述 第一偽參考濃度來確定至少一個第一錨定參數(shù)，其中，所述至少一個第一錨定參數(shù)補償系 統(tǒng)誤差；其中，所述處理器能夠將所述至少一個第一錨定參數(shù)并入至少兩個第一補償關系； 其中，所述處理器能夠響應于所述至少兩個初始分析物濃度、至少兩個所述第一錨定參數(shù) 和所述至少兩個第一補償關系來確定至少兩個第一錨定補償?shù)姆治鑫餄舛?；其中，所述?理器能夠通過求取所述至少兩個第一錨定補償?shù)姆治鑫餄舛鹊钠骄祦泶_定第二偽參考 濃度，其中，所述第二偽參考濃度是真實相對誤差的第二替代；并且其中，所述處理器能夠 將所述第二偽參考濃度報告為所述樣品的經(jīng)補償?shù)淖罱K分析物濃度。
【附圖說明】
[0032] 參照下面的附圖和說明，能夠更好地理解本發(fā)明。附圖中的各部分不一定按照比 例繪制，而是將重點放在圖示本發(fā)明的原理。
[0033] 圖IA是該逐次逼近法的圖形表示，其中，樣品的參考或"真實"分析物濃度（ARef) 在最左邊且來自測量裝置的初始確定分析物濃度（A lnit)在最右邊。
[0034] 圖IB表示在生物傳感系統(tǒng)的測量裝置中實施的分析方法。
[0035] 圖IC描繪了從Alc分析生物傳感系統(tǒng)的四個輸出通道記錄的輸出信號。
[0036] 圖ID表示通過標準化步驟來確定校準信息的工廠校準方法。
[0037] 圖ID-I示出了分別為血液樣品中四種不同的THb濃度從測量裝置的區(qū)域1檢測 器記錄的各自的Alc反射率信號。
[0038] 圖1D-2表示被表達為標準化校準曲線的確定的標準化參考相關性172。
[0039] 圖IE表示還考慮到具有校準信息的第二外來刺激的可選的工廠校準方法。
[0040] 圖IE-I提供了葡萄糖分析系統(tǒng)中的第二標準化關系的確定的示例。
[0041] 圖1E-2提供了確定葡萄糖分析系統(tǒng)中的第二標準化分析物響